化工原理1液體流動(dòng)課件

化工原理課件1液體流動(dòng)2024/4/17化工原理課件1液體流動(dòng)1.1概述1.1.1流體流動(dòng)的考察方法1.1.2流體流動(dòng)中的作用力1.1.3流體流動(dòng)中的機(jī)械能

1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.1流體流動(dòng)的考察方法問(wèn)題的引出：1、為什么要研究流體流動(dòng)？流體流動(dòng)規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)，涉及流體流動(dòng)規(guī)律的主要有以下三個(gè)方面：(1)流動(dòng)阻力及流量計(jì)算(2)流動(dòng)對(duì)傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響(3)流體的混合效果2、流體流動(dòng)研究的內(nèi)容是什么？流體流動(dòng)的宏觀規(guī)律與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3、采用什么方法研究流體流動(dòng)的宏觀規(guī)律？力-運(yùn)動(dòng)-能量，即受力分析、運(yùn)動(dòng)描述、能量分布。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.1流體流動(dòng)的考察方法一、連續(xù)性假定(Continumhypotheses)1、為什么流體要看成連續(xù)？原因：氣體和液體統(tǒng)稱為流體。流體是由大量的彼此間有一定間隙的單個(gè)分子所組成。不同的考察方法對(duì)流體流動(dòng)情況的理解也就不同。在流動(dòng)規(guī)律的研究中，感興趣的不是單個(gè)分子的微觀運(yùn)動(dòng)，而是流體宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此可以流體在空間流動(dòng)假定為連續(xù)分布的。在物理化學(xué)中（氣體分子運(yùn)動(dòng)論）是考察單個(gè)分子的微觀運(yùn)動(dòng)，分子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的、不規(guī)則的混亂運(yùn)動(dòng)，在某一方向上有時(shí)有分子通過(guò)，有時(shí)沒(méi)有。因此這種考察方法認(rèn)為流體是不連續(xù)的介質(zhì)，所需處理的運(yùn)動(dòng)是一種隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)，問(wèn)題將是非常復(fù)雜的。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.1流體流動(dòng)的考察方法2、怎樣看成連續(xù)的（假定內(nèi)容）？⑴考察對(duì)象：取流體質(zhì)點(diǎn)而不是單個(gè)分子作為最小的考察對(duì)象。流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）——是指一個(gè)含有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但比起分子自由程卻要大得多，即足夠大、足夠小。⑵流體是由大量質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此之間沒(méi)有空隙、完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。

注意：這種假定在絕大多數(shù)情況下是適合的，但是在高真空稀薄氣體的情況下是不成立的。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.1流體流動(dòng)的考察方法二、運(yùn)動(dòng)的描述方法——拉格朗日法和歐拉法1、拉格朗日法：選定一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)，對(duì)其跟蹤觀察，描述其運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位移、速度等）與時(shí)間的關(guān)系。即，同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)期的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（跟蹤法。）2、歐拉法：在固定的空間位置上觀察流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，直接描述各有關(guān)參數(shù)在空間各點(diǎn)的分布情況隨時(shí)間的變化，例如對(duì)速度u，可作如下描述：1.流體流動(dòng)可見(jiàn)：歐拉法是空間一定，不同質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(關(guān)卡法)?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.1.1流體流動(dòng)的考察方法3、它們的應(yīng)用場(chǎng)所拉格朗日法應(yīng)用于所研究的任一點(diǎn)均遵循一般規(guī)律的問(wèn)題。一般情況下，需對(duì)流動(dòng)作出描述時(shí)，都采用歐拉法。對(duì)定態(tài)流動(dòng)更是如此。三、定態(tài)流動(dòng)空間各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不隨時(shí)間而變化，則稱為定態(tài)流動(dòng)。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.1流體流動(dòng)的考察方法四、兩種考察方法的比較

1、流線與軌線⑴軌線：某一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(拉格朗日法的結(jié)果)。⑵流線：同一瞬間時(shí)不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向(歐拉法的結(jié)果)。如右圖，流線上四個(gè)箭頭分別表示在同一時(shí)間四個(gè)不同空間位置上a、b、c、d四個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)

1.流體流動(dòng)⑶流線的兩個(gè)重要屬性①各流線是不會(huì)相交的②不是真正幾何意義上的點(diǎn)，而是具有質(zhì)點(diǎn)尺寸的點(diǎn)

化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.1流體流動(dòng)的考察方法2、系統(tǒng)與控制體⑴系統(tǒng)：是包含眾多流體質(zhì)點(diǎn)的集合（是采用拉格朗日法考察流體的），系統(tǒng)的邊界隨著流體一起流動(dòng)，其形狀和大小都是隨著時(shí)間而變化。⑵控制體：是劃定一固定的空間體積，構(gòu)成控制體的空間界面稱為控制面，控制面總是封閉的固定界面。（采用歐拉法考察流體的）1.流體流動(dòng)系統(tǒng)控制體控制面化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.1流體流動(dòng)的考察方法小結(jié)：考察方法選擇：固體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)——拉格朗日法流體流動(dòng)——?dú)W拉法1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.2流體流動(dòng)中的作用力一、種類1、體積力體積力（質(zhì)量力）與流體的質(zhì)量成正比，對(duì)于均質(zhì)的流體也與流體的體積成正比。如流體在重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的重力就是一種體積力，F(xiàn)＝mg。重力與離心力都是典型的體積力。2、表面力—內(nèi)摩擦力表面力與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為壓力P與剪力τ。

1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.2流體流動(dòng)中的作用力⑴垂直于表面的力P，稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng)p。1.流體流動(dòng)⑵平行于表面的力F，稱為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱為剪應(yīng)力τ。1MPa（兆帕）＝106Pa（帕斯卡）注意：國(guó)內(nèi)許多教材習(xí)慣上把壓強(qiáng)稱為壓力?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.1.2流體流動(dòng)中的作用力二、粘性與內(nèi)摩擦力1、粘性的宏觀表現(xiàn)—內(nèi)摩擦力。2、粘性的物理本質(zhì)—分子間引力和分子的運(yùn)動(dòng)和碰撞。3、牛頓粘性定律1.流體流動(dòng)—流體的粘度；

—法向速度梯度化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.2流體流動(dòng)中的作用力三、流體與固體的力學(xué)特性兩個(gè)不同點(diǎn)（一般了解）1、固體表面的剪應(yīng)力τ∝剪切變形（角變形）而流體內(nèi)部的剪應(yīng)力τ∝剪切變形速率（角變形速率）（見(jiàn)下圖）

1.流體流動(dòng)

這是由于流體在剪切力的作用下其變形是無(wú)止境的，只要作用力存在，變形與運(yùn)動(dòng)將一直維持下去，只能在剪應(yīng)力τ與變形的快慢（即變形速率）之間建立關(guān)系，牛頓粘性定律就是這種關(guān)系，式中的速率梯度就是剪切變形速率化工原理課件1液體流動(dòng)⑵單位：SI制：CGS制：cP（厘泊）運(yùn)動(dòng)粘度SI制的單位為m2/s粘度μ又稱為動(dòng)力粘度。液體：μ＝f（t），與壓強(qiáng)p無(wú)關(guān)，溫度t↑，μ↓，水(20℃)，cP，要記住，油的粘度可達(dá)幾十到幾百cP,

1.1.2流體流動(dòng)中的作用力2、靜止流體不能承受剪應(yīng)力（哪怕是非常微小的剪應(yīng)力）和抵抗剪切變形。固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。

四、流體的剪應(yīng)力與動(dòng)量傳遞1、粘度μ

⑴物性參數(shù)之一1.流體流動(dòng)輸送原油加熱目的？氣體：p<40atm時(shí)μ＝f（p）與t無(wú)關(guān)，溫度p↑，μ↑化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.2流體流動(dòng)中的作用力2、牛頓型流體與非牛頓型流體服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動(dòng)規(guī)律。不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體，非牛頓型流體（血液、牙膏等）的τ與速度梯度關(guān)系見(jiàn)本章第8節(jié)。3、粘性流體與理想流體μ＝0，流體無(wú)粘性（理想流體，如下圖所示，實(shí)際不存在）

1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.3流體流動(dòng)中的機(jī)械能一、內(nèi)能內(nèi)能是貯存于液體內(nèi)部的能量，是由于原子與分子的運(yùn)動(dòng)及其相互作用存在的能量。因此液體的內(nèi)能與其狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能大小主要決定于液體的溫度，而液體的壓力影響可以忽略。單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能U＝f（t），J/Kg二、位能在重力場(chǎng)中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準(zhǔn)面高度

1.流體流動(dòng)為z時(shí)的位能相當(dāng)于流體從基準(zhǔn)面提升高度為z時(shí)重力對(duì)液體所作的功。單位質(zhì)量流體所具有的位能gz化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.3流體流動(dòng)中的機(jī)械能三、動(dòng)能液體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量，稱為動(dòng)能。1.流體流動(dòng)

單位質(zhì)量流體所具有的動(dòng)能四、壓強(qiáng)能流體自低壓向高壓對(duì)抗壓力流動(dòng)時(shí)，流體由此獲得的能量稱為壓強(qiáng)能。，v——流體的比容

單位質(zhì)量流體所具有的壓強(qiáng)能化工原理課件1液體流動(dòng)1.1.3流體流動(dòng)中的機(jī)械能機(jī)械能（位能、動(dòng)能、壓強(qiáng)能）在流動(dòng)過(guò)程可以互相轉(zhuǎn)換，亦可轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄蛄黧w的內(nèi)能。但熱和內(nèi)能在流體流動(dòng)過(guò)程不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而用于流體輸送。機(jī)械能損失—內(nèi)摩擦力作用。1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.2流體靜力學(xué)本節(jié)將回答以下問(wèn)題：1、靜力學(xué)研究什么？2、采用什么方法研究？3、主要結(jié)論是什么？4、這些結(jié)論有何作用？1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.2流體靜力學(xué)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布1.2.2壓強(qiáng)能與位能1.2.3壓強(qiáng)的表示方法1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法

1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布一、補(bǔ)充內(nèi)容：密度的概念和影響因素1、定義1.流體流動(dòng)

單位體積流體所具有的質(zhì)量，如果表示流體上某點(diǎn)的密度則為：2、影響因素⑴對(duì)于液體化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布⑵對(duì)于氣體1.流體流動(dòng)二、流體靜力學(xué)基本方程式1、靜壓強(qiáng)

空間各點(diǎn)。2、流體微元的受力平衡

如下圖所示，作用于立方體流體微元上的力有兩種，即表面力和體積力。化工原理課件1液體流動(dòng)A1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布1.流體流動(dòng)X化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布①表面力1.流體流動(dòng)abcd表面的壓力（N）為：a/b/c/d/表面的壓力（N）為：對(duì)于其他表面，也可以寫出相應(yīng)的表達(dá)式。

②體積力設(shè)單位質(zhì)量流體上的體積力在x方向的分量為X(N/Kg)，則微元所受的體積力在x方向的分量為，該流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，外力之和必等于零、對(duì)x方向，有化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布與x方向相同的力取“＋”號(hào)，相反取“－”號(hào)。1.流體流動(dòng)上式兩邊同除以得：同理

化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布?xì)W拉平衡方程

若將該微元流體移動(dòng)dl距離，此距離對(duì)x，y，z軸的分量為dx、dy、dz，將上列方程組分別乘以dx、dy、dz并相加得：1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布3、平衡方程在重力場(chǎng)中的應(yīng)用如流體所受的體積力僅為重力，并取z軸方向與重力方向相反，則：

1.流體流動(dòng)將此式代入流體平衡的一般表達(dá)式有：設(shè)流體不可壓縮，即密度ρ與壓力無(wú)關(guān)，可將上式積分得：化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布對(duì)于靜止流體中任意兩點(diǎn)1和2，如右圖所示：1.流體流動(dòng)必須指出，以上三式稱為流體靜力學(xué)方程式。

物理意義：壓強(qiáng)能+位能=常數(shù)，總勢(shì)能保持不變。化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布補(bǔ)充內(nèi)容：流體靜力學(xué)方程式適用范圍和等壓面1、適用于重力場(chǎng)中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體；2、在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面；3、壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。即壓力可傳遞，這就是巴斯噶定理；4、若記，ψ稱為廣義壓力，代表單位體積靜止流體的總勢(shì)能（即靜壓能p與位能

gz之和），靜止流體中各處的總勢(shì)能均相等。因此，位置越高的流體，其位能越大，而靜壓能則越小。

1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布5、衡算基準(zhǔn)衡算基準(zhǔn)不同，方程形式不同。1.流體流動(dòng)壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的大小可用某種液體的液柱高度表示，但必須注明是何種液體。如mmHg，mH2O。各項(xiàng)均除以密度和g，可得進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得：化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布6、等壓面的判斷等壓面的條件：同一高度，水平面、均質(zhì)、連續(xù)、不可壓縮流體、靜止、重力場(chǎng)。請(qǐng)判斷下面哪些是等壓面？1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.2壓強(qiáng)能與位能1.流體流動(dòng)物理意義：壓強(qiáng)能+位能=常數(shù)，總勢(shì)能保持不變?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.2.2壓強(qiáng)能與位能即：連續(xù)、靜止、不可壓縮的同種流體，總勢(shì)能保持不變。1.流體流動(dòng)即：壓頭+位頭=常數(shù)推論：1、靜壓強(qiáng)與其深度呈線性關(guān)系。2、等高面即為等壓面。返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.3壓強(qiáng)的表示方法一、壓強(qiáng)定義和單位1、定義垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強(qiáng),簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)。工程上習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。2、單位

在SI中，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，以Pa表示。但習(xí)慣上還采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為：1.流體流動(dòng)1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa

化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.3壓強(qiáng)的表示方法二、壓強(qiáng)的表示方法以流體柱高度表示：米水柱(mH2O)、毫米汞柱(mmHg)。三、壓強(qiáng)的基準(zhǔn)壓強(qiáng)有不同的計(jì)量基準(zhǔn)：絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)、真空度。

絕對(duì)壓強(qiáng)以絕對(duì)零壓作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)。

表壓強(qiáng)壓強(qiáng)表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，即:

表壓強(qiáng)＝絕對(duì)壓強(qiáng)－大氣壓強(qiáng)

真空度真空表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值，即:真空度＝大氣壓強(qiáng)－絕對(duì)壓強(qiáng)=-表壓強(qiáng)1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.3壓強(qiáng)的表示方法絕對(duì)壓強(qiáng)，表壓強(qiáng)，真空度之間的關(guān)系見(jiàn)下圖：1.流體流動(dòng)返回動(dòng)畫化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法流體靜力學(xué)原理的應(yīng)用很廣泛，它是連通器和液柱壓差計(jì)工作原理的基礎(chǔ)，還用于容器內(nèi)液柱的測(cè)量，液封裝置，不互溶液體的重力分離（傾析器）等。解題的基本要領(lǐng)是正確確定等壓面。本節(jié)介紹它在測(cè)量液體的壓力和確定液封高度等方面的應(yīng)用。一、壓力的測(cè)量測(cè)量壓強(qiáng)的儀表很多，現(xiàn)僅介紹以流體靜力學(xué)基本方程式為依據(jù)的測(cè)壓儀器---液柱壓差計(jì)。液柱壓差計(jì)可測(cè)量流體中某點(diǎn)的壓力，亦可測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的壓力差。常見(jiàn)的液柱壓差計(jì)有以下幾種。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法普通U型管壓差計(jì)、倒U型管壓差計(jì)、傾斜U型管壓差計(jì)、微差壓差計(jì)。

1.流體流動(dòng)常見(jiàn)液柱壓差計(jì)化工原理課件1液體流動(dòng)p0

p0

0

p1

p2

>

R

a

b

1、普通U型管壓差計(jì)

U型管內(nèi)位于同一水平面上的a、b兩點(diǎn)在相連通的同一靜止流體內(nèi)，兩點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)相等

若被測(cè)流體為氣體，其密度較指示液密度小得多，上式可簡(jiǎn)化為

1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法2、單管壓力計(jì)1.流體流動(dòng)式中Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?。單管壓力?jì)只能用來(lái)測(cè)量高于大氣壓的液體壓力，不能測(cè)氣體壓力?；虮韷夯ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法3、U形壓力計(jì)設(shè)U形管中指示液液面高度差為R，指示液密度為

0，被測(cè)流體密度為

，則由靜力學(xué)方程可得：

1.流體流動(dòng)方程可得：將以上三式合并得：

化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法若容器A內(nèi)為氣體，則

gh項(xiàng)很小可忽略，于是：1.流體流動(dòng)顯然，U形壓力計(jì)既可用來(lái)測(cè)量氣體壓力，又可用來(lái)測(cè)量液體壓力，而且被測(cè)流體的壓力比大氣壓大或小均可?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法例1-1靜壓強(qiáng)計(jì)算解：按靜力學(xué)原理，同一種靜止流體的連通器內(nèi)、同一水平面上的壓強(qiáng)相等，故有：1.流體流動(dòng)對(duì)于水平面1-2，即有：對(duì)于水平面3-4，即有：ρρi化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法1.流體流動(dòng)對(duì)于水平面5-6，即有：對(duì)于鍋爐的表壓，即有：化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法二、液封高度

液封在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用：通過(guò)液封裝置的液柱高度，控制器內(nèi)壓力不變或者防止氣體泄漏。

為了控制器內(nèi)氣體壓力不超過(guò)給定的數(shù)值，常常使用安全液封裝置（或稱水封裝置）如下圖，其目的是確保設(shè)備的安全，若氣體壓力超過(guò)給定值，氣體則從液封裝置排出。1.流體流動(dòng)安全液封動(dòng)畫化工原理課件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法

液封還可達(dá)到防止氣體泄漏的目的，而且它的密封效果極佳，甚至比閥門還要嚴(yán)密。例如煤氣柜通常用水來(lái)封住，以防止煤氣泄漏。

液封高度可根據(jù)靜力學(xué)基本方程式進(jìn)行計(jì)算。設(shè)器內(nèi)壓力為p（表壓），水的密度為ρ，則所需的液封高度h0應(yīng)為1.流體流動(dòng)為了保證安全，在實(shí)際安裝時(shí)使管子插入液面下的深度應(yīng)比計(jì)算值略小些，使超壓力及時(shí)排放；對(duì)于防止氣體泄漏，應(yīng)比計(jì)算值略大些，嚴(yán)格保證氣體不泄漏?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法三、液位的測(cè)定圖1.流體流動(dòng)返回作業(yè)：P561-1，1-5，1-8化工原理課件1液體流動(dòng)1.3流體流動(dòng)中的守恒定理本節(jié)將解決以下問(wèn)題：1、研究的內(nèi)容是什么？2、采用什么研究方法？3、得到什么結(jié)論？4、工程上有什么用途？1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)方程式子—牢記靈活應(yīng)用高位槽安裝高度?

物理意義—明確解決問(wèn)題輸送設(shè)備的功率?適用條件—注意1.3流體流動(dòng)中的守恒定理1.流體流動(dòng)本節(jié)內(nèi)容提要主要是研究和學(xué)習(xí)流體流動(dòng)的宏觀規(guī)律及不同形式的能量的如何轉(zhuǎn)化等問(wèn)題，其中包括：（1）質(zhì)量守恒定律——連續(xù)性方程式（2）能量守恒定律——柏努利方程式

推導(dǎo)思路、適用條件、物理意義、工程應(yīng)用。本節(jié)學(xué)習(xí)要求學(xué)會(huì)運(yùn)用兩個(gè)方程解決流體流動(dòng)的有關(guān)計(jì)算問(wèn)題化工原理課件1液體流動(dòng)1.3流體流動(dòng)中的守恒定理本節(jié)重點(diǎn)以連續(xù)方程及柏努利方程為重點(diǎn)，掌握這兩個(gè)方程式推導(dǎo)思路、適用條件、用柏努利方程解題的要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。通過(guò)實(shí)例加深對(duì)這兩個(gè)方程式的理解。本節(jié)難點(diǎn)無(wú)難點(diǎn)，但在應(yīng)用柏努利方程式計(jì)算流體流動(dòng)問(wèn)題時(shí)要特別注意流動(dòng)的連續(xù)性、上、下游截面及基準(zhǔn)水平面選取正確性。正確確定衡算范圍（上、下游截面的選?。┦墙忸}的關(guān)鍵。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.3流體流動(dòng)中的守恒定理1.3.1質(zhì)量守恒1.3.2機(jī)械能守恒1.3.3動(dòng)量守恒1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)表示。1.3.1質(zhì)量守恒一、基本概念1、流量流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道某一截面的物質(zhì)量稱為流量。一般有體積流量和質(zhì)量流量?jī)煞N表示方法。1.流體流動(dòng)⑴體積流量(或)，解題指南用由于氣體的體積與其狀態(tài)有關(guān)，因此對(duì)氣體的體積流量，須說(shuō)明它的溫度t和壓強(qiáng)p。

⑵質(zhì)量流量（Kg/s或Kg/h）與的關(guān)系為：⑶

注意：流量是一種瞬時(shí)的特性，不是某時(shí)間內(nèi)累計(jì)流過(guò)的量。由流量計(jì)測(cè)出?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.3.1質(zhì)量守恒2、平均流速（簡(jiǎn)稱流速）u

單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流過(guò)的距離稱為流速u（m/s）。流體在管截面上的速度分布規(guī)律較為復(fù)雜，如在工程上為計(jì)算方便起見(jiàn)，流體的流速通常指整個(gè)管截面上的平均流速，其表達(dá)式為：1.流體流動(dòng)常用A——垂直于流動(dòng)方向的管截面積，m2。

問(wèn)題：粘性流體，圓管內(nèi)同一截面上各點(diǎn)流速不同，怎么樣求平均流速？化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.1質(zhì)量守恒平均流速：1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.1質(zhì)量守恒1.流體流動(dòng)注意：由于氣體的體積流量qV隨溫度、壓強(qiáng)而變，所以氣體流速亦隨t、p而變，因此，對(duì)于氣體在管內(nèi)流動(dòng)的有關(guān)計(jì)算，采用不隨狀態(tài)變化的質(zhì)量流速較為方便，如計(jì)算氣體雷諾準(zhǔn)數(shù)

，哪個(gè)方便？化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.1質(zhì)量守恒二、質(zhì)量守恒方程(也稱連續(xù)性方程式)依據(jù)：穩(wěn)定流動(dòng)（定態(tài)流動(dòng)）過(guò)程中的質(zhì)量守恒流入-流出=積累1.流體流動(dòng)如圖1-11，取截面1-1至2-2之間的管段作為控制體（歐拉法，截面固定）定態(tài)流動(dòng)時(shí)

化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.1質(zhì)量守恒1.流體流動(dòng)對(duì)不可壓縮流體：對(duì)圓形截面管道：

對(duì)均勻直管：

化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.1質(zhì)量守恒討論：1、適用條件：流體流動(dòng)的連續(xù)性方程式僅適用于穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性流體。2、對(duì)圓形截面管道，體積流量一定時(shí)，流速與管徑的平方成正比，此規(guī)律與管路的安排以及管路上是否裝有管件、閥門或輸送設(shè)備等都無(wú)關(guān)。3、連續(xù)性方程式(Equationofcontinuity)應(yīng)用：⑴變徑管流速或內(nèi)徑的確定（水平放置或斜置）—常用⑵u形管壓差計(jì)中的應(yīng)用—壓力的測(cè)定1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒柏努利方程式是流體流動(dòng)中機(jī)械能守恒和轉(zhuǎn)化原理的體現(xiàn)。柏努利方程式的推導(dǎo)方法一般有兩種

(1)理論解析法比較嚴(yán)格，較繁瑣(2)能量衡算法比較直觀，較簡(jiǎn)單本節(jié)采用后者。推導(dǎo)思路：從解決流體輸送問(wèn)題的實(shí)際需要出發(fā)，采取逐漸簡(jiǎn)化的方法，即先進(jìn)行流體系統(tǒng)的總能量衡算（包括熱能和內(nèi)能）

流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算（消去熱能和內(nèi)能）

不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的機(jī)械能衡算—柏努利方程式。方法論：先簡(jiǎn)化修正1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒一、沿軌線的機(jī)械能守恒(拉格朗日考察法，是某一流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡)根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行推導(dǎo)：

體積力+表面力=質(zhì)量×加速度回顧在靜止流體中，立方體微元所受各力平衡（靜止）1.流體流動(dòng)在運(yùn)動(dòng)流體中，立方體微元表面不受剪應(yīng)力（∵設(shè)μ＝0），微元受力與靜止流體相同（體積力＋表面力）但受力不平衡造成加速度（力＝質(zhì)量×加速度，力/質(zhì)量＝加速度），即化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒設(shè)流體微元在dt時(shí)間力位移dl，它在x軸上的分量位dx，將dx乘上式各項(xiàng)得：

1.流體流動(dòng)同理在y，z方向上有：化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒以上三式相加得：1.流體流動(dòng)若流體僅在重力場(chǎng)中流動(dòng)，取z軸垂直向上，則：上式成為對(duì)不可壓縮流體，ρ＝常數(shù)，積分上式得此式稱為沿軌線的柏努利(Bernoulli)方程化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒討論：1、沿軌線的柏努利方程適用的場(chǎng)合是重力場(chǎng)中不可壓縮的理想流體定態(tài)流動(dòng)。2、流體微元在流動(dòng)過(guò)程中與其它微元之間未發(fā)生機(jī)械能交換量

1.流體流動(dòng)3、柏努利方程也可以寫成：化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒4、沿流線（歐拉考擦法，固定截面上考擦）的機(jī)械能守恒定態(tài)流動(dòng)，流線與軌跡線重合，上式仍適用，即：1.流體流動(dòng)5、理想流體管流的機(jī)械能守恒

⑴理想流體管截面流速分布均勻，各點(diǎn)的動(dòng)能相等。為什么？⑵若考察截面處于均勻流段(流線平行且垂直截面)，各點(diǎn)總勢(shì)能保持不變?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)所以：理想流體的柏努利方程式為：1.3.2機(jī)械能守恒1.流體流動(dòng)所以：不可壓縮、理想流體、定態(tài)流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能守恒(柏努利方程式)為：化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒6、實(shí)際流體管流的機(jī)械能守恒

1.流體流動(dòng)

實(shí)際流體(）

修正之一：μ>0，有速度分布，動(dòng)能以代替。引入動(dòng)能校正系數(shù)α以后計(jì)算均取，誤差不大?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒修正之二：μ>0，有內(nèi)摩擦力，必導(dǎo)致機(jī)械能損耗—阻力損失（），還有外界對(duì)單位質(zhì)量流體加入的機(jī)械能1.流體流動(dòng)以后可以把上的－去掉，u表示平均速度

習(xí)慣上也把上式稱為實(shí)際流體的柏努利方程或擴(kuò)展了的柏努利方程。化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒7、在衡算范圍內(nèi)是不可壓縮、連續(xù)穩(wěn)態(tài)流體，同時(shí)要注意是實(shí)際流體還是理想流體，有無(wú)外功加入的情況又不同。8、不同衡算基準(zhǔn)下的柏努利方程1.流體流動(dòng)J/kgm——位頭，單位重量流體所具有的位能?！獕侯^，單位重量流體所具有的壓強(qiáng)能。

化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒二、柏努利方程的應(yīng)用1、求流量及流速（書(shū)p22，重力射流和壓力射流）2、求截面或設(shè)備的垂直距離z3、求設(shè)備的有效功率He和功率4、求管路中某一位置流體的壓強(qiáng)(一)、解題要點(diǎn)在方程的應(yīng)用中，是否按照以下要點(diǎn)進(jìn)行直接關(guān)系到解題的正確性。1.流體流動(dòng)——速度頭，單位重量流體所具有的動(dòng)能。

化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒1、在流程圖或流程示意圖上選擇衡算范圍，應(yīng)包含待求參數(shù)，弄清流動(dòng)方向。2、順流動(dòng)方向選取上、下游截面，截面應(yīng)垂直于流動(dòng)方向，截面間流體必須連續(xù)，待求量應(yīng)在截面之間。3、進(jìn)行能量衡算必須選擇，水平基準(zhǔn)面一般選擇地面、樓面或設(shè)備基礎(chǔ)、管子和設(shè)備中心，截面至基準(zhǔn)面的垂直距離必須是可知。4、各參數(shù)的計(jì)量單位必須一致，否則應(yīng)事先將單位化成一致，以免代入方程再來(lái)?yè)Q算而造成計(jì)算時(shí)錯(cuò)誤，壓強(qiáng)的表示必須一致、統(tǒng)一用絕壓或表壓。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒(二)解題步驟1、衡算范圍的確定：畫出示意圖，選擇截面。2、截面的選取1.流體流動(dòng)3、基準(zhǔn)面選取4、列方程式5、列出已知數(shù)例如：Z1=Z1，Z2=Z2，u1=u2,p2=0（表壓），p1=6、把已知數(shù)代入方程，解方程?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒例：如圖所示，用泵將水從貯槽送至敞口高位槽，兩槽液面均恒定不變，輸送管路尺寸為

83×3.5mm，泵的進(jìn)出口管道上分別安裝有真空表和壓力表，壓力表安裝位置離貯槽的水面高度H2為5m。當(dāng)輸水量為36m3/h時(shí)，進(jìn)水管道全部阻力損失為1.96J/kg，出水管道全部阻力損失為4.9J/kg，壓力表讀數(shù)為2.452×105Pa，泵的效率為70%，水的密度

為1000kg/m3，試求：（1）兩槽液面的高度差H為多少？（2）泵所需的實(shí)際功率為多少kW？1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒解：1、兩槽液面的高度差H在壓力表所在截面1-1′與高位槽液面2-2′間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面，得：1.流體流動(dòng)1/12/2已知量：Z1=H2=5m，u1=qV/A=2.205m/s，p1=2.452×105Pa，u2=0,p2=0,化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒把已知量代入上式可得：1.流體流動(dòng)2、泵所需的實(shí)際功率在貯槽液面0-0′與高位槽液面2-2′間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面，如圖所示，有：

2/0/02其中Z0=H0=0，Z2=H=34.74m，u0=u2=0,p0=p2=0化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒代入方程求得：he=298.64J/kg1.流體流動(dòng)又η=70%，化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒小結(jié)：1、不可壓縮、理想流體、定態(tài)流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能守恒(柏努利方程式)為1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.2機(jī)械能守恒2、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式1.流體流動(dòng)J/kgm3、解題步驟和要點(diǎn)及注意事項(xiàng)4、工程應(yīng)用習(xí)題9、10、13，選作14返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.3.3動(dòng)量守恒

有興趣的同學(xué)自學(xué)，一般了解。僅在阻力損失無(wú)法計(jì)算或本身要求流體對(duì)壁面的作用力時(shí)才用動(dòng)量守恒定律解題。

1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.4流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)本節(jié)內(nèi)容提要簡(jiǎn)要分析在微觀尺度上流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為流動(dòng)阻力的計(jì)算奠定理論基礎(chǔ)。以滯流和湍流兩種基本流型的本質(zhì)區(qū)別為主線展開(kāi)討論，本節(jié)重點(diǎn)(1)牛頓粘性定律的表達(dá)式、適用條件；粘度的物理意義及不同單位之間的換算。(2)兩種流型的判據(jù)及本質(zhì)區(qū)別；Re的意義及特點(diǎn)。(3)流動(dòng)邊界層概念

本節(jié)的目的是了解流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便為阻力損失計(jì)算打下基礎(chǔ)。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.4流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)問(wèn)題的引出：1、1.流體流動(dòng)機(jī)械能衡算式?jīng)]有解決hf的質(zhì)(物理本質(zhì))、量(大小)2、100多年前，人們?cè)谘芯苛黧w流動(dòng)中發(fā)現(xiàn)：(1)管流：u小，速度分布不均勻；u大，速度分布均勻。(2)流體流動(dòng)的阻力：u小，hf與u成正比；u大，hf與u的1.75~2次方成正比。1883年，著名的雷諾(Reynolds)實(shí)驗(yàn)提示了流動(dòng)的兩種型態(tài)?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.4流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1流動(dòng)的型態(tài)1.4.2湍流的基特征1.4.3邊界層及邊界層脫體1.4.4圓管內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.1流動(dòng)的型態(tài)一、兩種流型—層流和湍流(LaminarandTurbulentFlow)是1883年著名的雷諾實(shí)驗(yàn)(Reynolds)揭示出來(lái)的，下列看一看動(dòng)畫1-011、層流（又稱滯流）流體質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)，即流體分層流動(dòng)，層次分明，彼此互不混雜，質(zhì)點(diǎn)無(wú)徑向混合。如下圖所示

1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.1流動(dòng)的型態(tài)2、湍流流體在總體上沿著向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還在各個(gè)方向作隨機(jī)的脈動(dòng)。如下圖1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.1流動(dòng)的型態(tài)湍流的特點(diǎn)如下：構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)在主運(yùn)動(dòng)之外還有附加的脈動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)是湍流運(yùn)動(dòng)的最基本特點(diǎn)。如下圖所示的為截面上某一點(diǎn)i的流體質(zhì)點(diǎn)的速度脈動(dòng)曲線。同樣，點(diǎn)i的流體質(zhì)點(diǎn)的壓強(qiáng)也是脈動(dòng)的，可見(jiàn)湍流實(shí)際上是一種不穩(wěn)定的流動(dòng)。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.1流動(dòng)的型態(tài)二、流型的判據(jù)——雷諾數(shù)Re(Reynoldsnumber)1、影響流動(dòng)狀況因素流速u，管徑d，流體的粘度μ，流體的密度ρ。2、定義雷諾數(shù)Re1.流體流動(dòng)所以，其物理意義是：慣性力與粘性力的比值?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.4.1流動(dòng)的型態(tài)雷諾準(zhǔn)數(shù)的因次1.流體流動(dòng)Re準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群。組成此數(shù)群的各物理量,必須用一致的單位表示。因此，無(wú)論采用何種單位制，只要數(shù)群中各物理量的單位一致，所算出的Re值必相等?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.4.1流動(dòng)的型態(tài)3、判據(jù)雷諾數(shù)的大小足以反映這四個(gè)參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況的影響，故雷諾數(shù)是流動(dòng)狀況的唯一判據(jù)，根據(jù)其數(shù)值的大小可確定流體流動(dòng)類型。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)直管內(nèi)的流動(dòng)而言：Re≤2000，必定出現(xiàn)層流，穩(wěn)定的層流區(qū)2000<Re<4000，有時(shí)出現(xiàn)層流，有時(shí)出現(xiàn)湍流，依賴于環(huán)境，此為過(guò)渡區(qū)Re≥4000，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流區(qū)注意：1、上述以Re為判據(jù)將流動(dòng)劃分為三區(qū)，但是只有兩種流型，即層流和湍流。2、在一般工程計(jì)算中，Re>2000可作為湍流處理。1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.2湍流的基本特征一、時(shí)均速度和脈動(dòng)速度如右圖，湍流流體某質(zhì)點(diǎn)i的速度脈動(dòng)曲線，該質(zhì)點(diǎn)的速度在一平均值（稱為時(shí)均值）上下波動(dòng)。湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)總體上沿軸向運(yùn)動(dòng)，但在徑向上還有脈動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)彼此間碰撞劇烈，阻力損失比因摩擦力而引起阻力損失大的多。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)是指分子粘度，反映了分子引力和分子運(yùn)動(dòng)造成1.4.2湍流的基本特征二、湍流粘度1.流體流動(dòng)層流時(shí)式中的動(dòng)量傳遞湍流時(shí)，動(dòng)量傳遞不僅起因于分子運(yùn)動(dòng)，且來(lái)源于流體質(zhì)點(diǎn)的橫向脈動(dòng)，故不服從牛頓粘性定律，如仍希望用其形式，則：——湍流粘度，無(wú)法試驗(yàn)測(cè)定或理論計(jì)算化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.2湍流的基本特征三、湍流時(shí)層流內(nèi)層和過(guò)渡層，如下圖1.流體流動(dòng)1、管中心：2、過(guò)渡區(qū)：3、管壁：所以，層流內(nèi)層是傳遞過(guò)程中的主要阻力之所在。返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.3邊界層及邊界層脫體如果在流速均勻的流體中放置一個(gè)固體（平板、球體或圓柱體），流體將發(fā)生怎樣的運(yùn)動(dòng)？1904年，法國(guó)布朗特：邊界層理論。一、邊界層(BoundaryLayer)1、定義具有明顯速度梯度的流體層，其邊緣流體流速為主體平均流速的99%以內(nèi)的區(qū)域，叫做邊界層。2、邊界層的形成⑴流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層

1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)注意：層流邊界層和層流內(nèi)層的區(qū)別層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層邊界層界限u0u0u0xy層流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)類型為層流湍流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)類型為湍流層流內(nèi)層：邊界層內(nèi)近壁面處一薄層，無(wú)論邊界層內(nèi)的流型為層流或湍流，其流動(dòng)類型均為層流1.4.3邊界層及邊界層脫體1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)內(nèi)摩擦：一流體層由于粘性的作用使與其相鄰的流體層減速邊界層：受內(nèi)摩擦影響而產(chǎn)生速度梯度的區(qū)域(

)u=0.99u0邊界層發(fā)展：邊界層厚度

隨流動(dòng)距離增加而增加流動(dòng)充分發(fā)展：邊界層不再改變，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)也維持不變充分發(fā)展的管內(nèi)流型屬層流還是湍流取決于匯合點(diǎn)處邊界層內(nèi)的流動(dòng)屬層流還是湍流進(jìn)口段1.4.3邊界層及邊界層脫體1.流體流動(dòng)⑵管流時(shí)的邊界層化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.3邊界層及邊界層脫體注意：①邊界層形成的原因是實(shí)際流體具有粘性。②流體流動(dòng)阻力主要集中在邊界層內(nèi)，尤其在層流內(nèi)層中，而且邊界層還集中了傳熱和傳質(zhì)的阻力。③測(cè)定流體速度分布曲線時(shí)，其測(cè)定地點(diǎn)必須選在圓管中流體速度分布保持不變的平直部分，即要壁開(kāi)進(jìn)口段（此處到入口或轉(zhuǎn)彎處的距離要大于L0）1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)AB：流道縮小，順壓強(qiáng)梯度，加速減壓BC：流道增加，逆壓強(qiáng)梯度，減速增壓CC/以上：分離的邊界層CC/以下：在逆壓強(qiáng)梯度的推動(dòng)下形成倒流，產(chǎn)生大量旋渦1.4.3邊界層及邊界層脫體1.流體流動(dòng)三、邊界層的分離現(xiàn)象流體對(duì)圓柱體的繞流，如下圖所示?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.4.3邊界層及邊界層脫體總之，流道擴(kuò)大時(shí)必造成逆壓強(qiáng)梯度，逆壓強(qiáng)梯度容易造成邊界層的分離，邊界層分離造成大量漩渦，大大增加機(jī)械能消耗。即：流體通道擴(kuò)大逆壓強(qiáng)梯度邊界層分離大量漩渦機(jī)械能損失增大討論：①邊界層分離是由于幾何形狀發(fā)生變化而產(chǎn)生的。②因固體表面形狀造成邊界層分離而消耗的能量稱為形體阻力。③在發(fā)生邊界層分離的流體流動(dòng)阻力有兩部分—摩擦阻力和形體阻力。1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述一、流體的力平衡如右圖所示

1.流體流動(dòng)

左端面的力：

右端面的力：

外表面的剪切力：

圓柱體的重力：

因流體在均勻直管內(nèi)作等速運(yùn)動(dòng)，各外力之和必為零，即：

化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述二、剪應(yīng)力分布

1.流體流動(dòng)將、、、代入上式，并整理

此式表示圓管中沿管截面上的剪應(yīng)力分布。由以上推導(dǎo)可知，剪應(yīng)力分布與流動(dòng)截面的幾何形狀有關(guān)，與流體種類、層流或湍流無(wú)關(guān)，即對(duì)層流和湍流皆適用?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)為正，加負(fù)號(hào)。1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述由上式可知：1.流體流動(dòng)三、層流時(shí)的速度分布

層流時(shí)剪應(yīng)力服從牛頓粘性定律：為負(fù)，為保證化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1.流體流動(dòng)管中心r＝0，化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1.流體流動(dòng)層流時(shí)圓管截面上的速度是拋物線分布，如下圖所示：化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述即圓管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的一半。因此，當(dāng)流體在圓管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)，以平均速度計(jì)算平均動(dòng)能，動(dòng)能校正系統(tǒng)值為2。

1.流體流動(dòng)四、層流時(shí)的平均速度和動(dòng)能校正系數(shù)

化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述五、圓管內(nèi)湍流時(shí)的速度分布

1.流體流動(dòng)湍流

不是物性，其值與Re及流體質(zhì)點(diǎn)位置有關(guān)，故湍流時(shí)速度分布不能像層流一樣通過(guò)流體柱受力分析從理論上導(dǎo)出，只能將試驗(yàn)結(jié)果用經(jīng)驗(yàn)式表示：n與Re有關(guān)，在不同Re范圍內(nèi)取不同的值：

化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1.流體流動(dòng)討論：化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1.流體流動(dòng)2、對(duì)于近管中心部分剪應(yīng)力不大而湍流粘度數(shù)值很大，由上式可知湍流核心處的速度梯度必定很小。而在壁面附近很薄的層流內(nèi)層中，剪應(yīng)力相當(dāng)大且以分子粘度的作用為主；但的數(shù)值又遠(yuǎn)較湍流核心處的為小，故此薄層中的速度梯度必定很大。圖1-30表示湍流時(shí)的速度分布。Re數(shù)愈大，近壁區(qū)以外的速度分布愈均勻。

化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1.流體流動(dòng)問(wèn)題：層流與湍流的不同點(diǎn)？化工原理課件1液體流動(dòng)流型滯（層）流湍（紊）流判據(jù)

質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況管內(nèi)速度分布

現(xiàn)象方程

兩種流型的比較1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1.流體流動(dòng)

Re≤2000

Re≥4000沿軸向作直線運(yùn)動(dòng)，不存在橫向混合和質(zhì)點(diǎn)碰撞不規(guī)則雜亂運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)碰撞和劇烈混合。脈動(dòng)是湍流的基本特點(diǎn)拋物線方程u＝1/2umax壁面處uw=0,管中心u=umax碰撞和混合使速度平均化u＝0.8umax壁面處uw=0,管中心u=umax可解析

不可解析

化工原理課件1液體流動(dòng)1.4.4圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1.流體流動(dòng)本節(jié)小結(jié)：1、流體流動(dòng)的兩種形態(tài)：層流、湍流2、流型判據(jù)Re：Re≤2000必為層流，Re>4000，一般為湍流。3、湍流的基本特征是出現(xiàn)速度脈動(dòng)。4、湍流流動(dòng)分為湍流核心、過(guò)渡層和層流內(nèi)層。5、邊界層脫體及影響：流體通道擴(kuò)大逆壓強(qiáng)梯度邊界層分離大量漩渦機(jī)械能損失增大6、層流速度分布呈拋物線，7、湍流截面速度分布較層均勻，返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.5阻力損失本節(jié)內(nèi)容提要解決流體在管截面上的速度分布及柏努利方程式中流動(dòng)阻力Σhf的計(jì)算問(wèn)題。本節(jié)重點(diǎn)(1)流體在管路中的流動(dòng)阻力的計(jì)算問(wèn)題。管路阻力又包括包括直管阻力hf和局部阻力hf/

(2)流體在直管中的流動(dòng)阻力因流型不同而采用不同的工程處理方法。對(duì)于層流，通過(guò)過(guò)程本征方程（牛頓粘性定律）可用解析方法求解管截面上的速度分布及流動(dòng)阻力；而對(duì)于湍流，需借助因次分析方法來(lái)規(guī)劃試驗(yàn)，采用實(shí)驗(yàn)研究方法。(3)建立“當(dāng)量”的概念（包括當(dāng)量直徑和當(dāng)量長(zhǎng)度）?！爱?dāng)量”要具有和原物量在某方面的等效性，并依賴于經(jīng)驗(yàn)。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5阻力損失1.流體流動(dòng)流體阻力問(wèn)題的研究方法

數(shù)學(xué)分析法、數(shù)學(xué)模型法、實(shí)驗(yàn)研究法例：圓管內(nèi)層流流動(dòng)的數(shù)學(xué)描述——數(shù)學(xué)分析法兩類方程：衡算方程—力平衡方程過(guò)程特征方程—流體本構(gòu)方程(牛頓粘性定律)方法論：取微分控制體列力平衡方程、特征方程確定邊界條件、全管內(nèi)積分化工原理課件1液體流動(dòng)1.5阻力損失1.5.1兩種阻力損失1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的實(shí)驗(yàn)研究方法1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式1.5.4局部阻力損失1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.1兩種阻力損失一、直管阻力和局部阻力1.流體流動(dòng)1、直管阻力hf：直管對(duì)流動(dòng)具有的一定阻力，是流體流經(jīng)管徑的直管時(shí)，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。2、局部阻力hf/:管件（彎頭、三通、閥門等）對(duì)流體流動(dòng)具有的一定阻力，主要是由于流體流經(jīng)管路中的管件及截面的突然擴(kuò)大或縮小等局部地方所引起的阻力?；ぴ碚n件1液體流動(dòng)（無(wú)外加機(jī)械能），二、阻力損失表現(xiàn)為流體勢(shì)能的降低

如右圖，在截面1-1和2-2列柏努利方程可得：1.流體流動(dòng)1.5.1兩種阻力損失（等徑）化工原理課件1液體流動(dòng)由此式可知，對(duì)于通常的管路，無(wú)論是直管阻力或是局部阻力，也不論是層流或是湍流，阻力損失均主要表現(xiàn)為流體勢(shì)能的降低。三、層流時(shí)直管阻力損失1.流體流動(dòng)1.5.1兩種阻力損失化工原理課件1液體流動(dòng)討論：1、hf與u成正比1.流體流動(dòng)1.5.1兩種阻力損失有何工程意義？返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法一、析因試驗(yàn)—尋找影響過(guò)程的主要因素(靠初步試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn))

1.流體流動(dòng)二、規(guī)劃試驗(yàn)——減少試驗(yàn)工作量，試驗(yàn)結(jié)果易總結(jié)整理，有物理意義。正交設(shè)計(jì)法，因次分析法等。一個(gè)完整物理量＝數(shù)值×單位，如，因次分析法將物理量因次（單位）抽出分析（不考慮數(shù)值部分），將影響過(guò)程的物理量組合成幾個(gè)無(wú)因次的數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)），數(shù)群的數(shù)目將少于自變量的數(shù)目，試驗(yàn)工作量減少，但數(shù)群前的系數(shù)及各數(shù)群的指數(shù)因次分析法無(wú)法確定。（為什么？因?yàn)椴豢紤]物理量的數(shù)值部分），仍要靠試驗(yàn)確定，這種研究方法就是在緒論課中提到的半經(jīng)驗(yàn)半理論的研究方法。

化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法因次分析法的基本步驟①確定與研究對(duì)象相關(guān)的物理量；

②構(gòu)造成一定函數(shù)形式；(如次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等形式)；

③將函數(shù)式表示成相關(guān)物理量的因次式；

④按因次一致性原則建立線性基本因次方程組；

⑤給定多余變量，求解因次方程；⑥列出特征數(shù)群方程。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法

因次分析的基礎(chǔ)：因次一致性（物理方程兩邊數(shù)值相等，因次相等）例如：層流時(shí)的阻力損失

1.流體流動(dòng)可變?yōu)椋夯ぴ碚n件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法因次分析基本原理：π定理(白金漢Buckingham提出)任何物理方程必可能轉(zhuǎn)化為無(wú)因次形式，即以無(wú)因次數(shù)群的關(guān)系式代替原物理方程，無(wú)因次數(shù)群的個(gè)數(shù)等于原方程的變量數(shù)減去基本因次數(shù)，即：N=n-m1、因次分析1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法2、變量無(wú)因次化⑴選擇基本變量

要求：①個(gè)數(shù)=基本因次數(shù)②包含基本因次（M、L、T）③因次相互獨(dú)立一般選擇尺寸d，運(yùn)動(dòng)u，與質(zhì)量有關(guān)的量ρ或μ(μ比ρ復(fù)雜)作為基本變量。⑵變量無(wú)因次化1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法3、函數(shù)無(wú)因次化1.流體流動(dòng)4、實(shí)驗(yàn)整理化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法1.流體流動(dòng)返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.2湍流時(shí)直管阻力損失的試驗(yàn)研究方法5、因次分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)

①優(yōu)點(diǎn)是因次分析方法在實(shí)驗(yàn)研究中，不僅能避免實(shí)驗(yàn)工作遍及所有變量與各種規(guī)格的圓形直管及各種流體，而且能正確地規(guī)劃整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

對(duì)于涉及多變量的復(fù)雜工程問(wèn)題，若采用因次分析方法和其他手段使多變量，變換成為由若干個(gè)無(wú)因次數(shù)群；通過(guò)組合成特征數(shù)，減少變量數(shù)，以致大幅度地減少實(shí)驗(yàn)工作量；通過(guò)組合特征數(shù)使之具有普遍的適用性。

②缺點(diǎn)是因次分析方法并不能代替開(kāi)始的變量數(shù)目的分析。如果一開(kāi)始就沒(méi)有列入重要的物理量，或列入了無(wú)關(guān)的物理量，將得不出正確的結(jié)論。

因次分析方法也不能代替實(shí)驗(yàn)，如本例的曲線的具體形狀，只能依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式一、統(tǒng)一的表達(dá)式

直管阻力損失，無(wú)論是層流還是湍流，都與雷諾數(shù)、速度的平方以及絕對(duì)粗糙度有關(guān)。因此，我們可以將其寫成以下統(tǒng)一的表達(dá)式：

1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式二、摩擦系數(shù)1.流體流動(dòng)1、層流當(dāng)時(shí)，流體在管內(nèi)作層流流動(dòng)，由式可得：2、過(guò)渡層波動(dòng)，常作湍流處理（以安全計(jì)）化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式1.流體流動(dòng)3、湍流當(dāng)時(shí)，或流體作湍流流動(dòng)時(shí)，摩擦系數(shù)怎么求呢？前人通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，得到了各種各樣的的關(guān)聯(lián)式

4、摩擦因數(shù)圖

前面學(xué)過(guò)的摩擦因數(shù)，除了層流時(shí)比較簡(jiǎn)單外，其余各公式都比較復(fù)雜，用起來(lái)比較不方便。在工程計(jì)算中為了避免試差，一般是將通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的與和的關(guān)系，以為參變量，以為縱坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)，標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上。如圖1-32所示，此圖稱為莫狄摩擦因數(shù)圖。

化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式1.流體流動(dòng)層流區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)光滑管阻力平方區(qū)湍流粗糙管區(qū)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式⑴層流區(qū)

1.流體流動(dòng)則流體的流動(dòng)阻力損失與流速的關(guān)系為，與無(wú)關(guān)，與成直線關(guān)系，即

⑵過(guò)渡區(qū)在此區(qū)內(nèi)，流體的流型可能是層流，也可能是湍流，視外界的條件而定，在管路計(jì)算時(shí)，為安全起見(jiàn)，對(duì)流動(dòng)阻力的計(jì)算一般將湍流時(shí)的曲線延伸查取的數(shù)值。

化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式⑶湍流粗糙管區(qū)

1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式⑸

完全湍流區(qū)——阻力平方區(qū)

1.流體流動(dòng)⑷湍流光滑管區(qū)

化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式三、粗糙度對(duì)影響1.流體流動(dòng)1、層流：粗糙度對(duì)無(wú)影響2、湍流當(dāng)在層流底層時(shí)，則對(duì)無(wú)影響當(dāng)在湍流邊界層時(shí)，則對(duì)有影響影響情況：化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式1.流體流動(dòng)四、實(shí)際管的當(dāng)量粗糙度

粗糙度的表示方法絕對(duì)粗糙度：是指壁面凸出平均高度相對(duì)粗糙度：是指絕對(duì)粗糙度與管徑的比值?；ど铣Ｓ霉艿赖漠?dāng)量絕對(duì)粗糙度如表1-1所示。

化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式五、非圓形管的當(dāng)量直徑

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到非圓形截面的管道或設(shè)備。如套管換熱器環(huán)隙，列管換熱器管間，長(zhǎng)方形的通分管等。其工程計(jì)算并不復(fù)雜，只要將管子的直徑換成當(dāng)量直徑就可以計(jì)算出Re等值。對(duì)非圓形管的當(dāng)量直徑為：1.流體流動(dòng)問(wèn)題：矩形管和套管球隙的當(dāng)量直徑怎么樣求？化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式1、對(duì)長(zhǎng)a，寬b為的矩形管道

1.流體流動(dòng)但當(dāng)時(shí)，此式誤差比較大。

2、對(duì)于外管內(nèi)徑為，內(nèi)管外徑為的套管環(huán)隙abr2r1r1化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.3直管阻力損失的計(jì)算式討論：1、當(dāng)量直徑不能用于計(jì)算流速u、流量qv、截面面積A1.流體流動(dòng)2、當(dāng)量直徑的定義是經(jīng)驗(yàn)性的，并無(wú)充分的理論依據(jù)。在求阻力損失中的改成即可求。3、流體在非圓形直管中層流時(shí)，其摩擦系數(shù)要進(jìn)行修正。套管環(huán)隙

正方形截面

返回化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失

流體在管徑流動(dòng)受到閥門管體阻礙，以及進(jìn)出突然擴(kuò)大或縮小等，在局部受到的阻力，稱局部阻力。其計(jì)算方法有局部阻力系數(shù)法和當(dāng)量長(zhǎng)度法。1.流體流動(dòng)一、阻力系數(shù)法這種方法是模仿直管阻力的計(jì)算公式，而將直管阻力系數(shù)必為局部阻力系數(shù)即可：化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失確定局部阻力系數(shù)1.流體流動(dòng)查手冊(cè)，可參考書(shū)表1-2和圖1-35、1-36實(shí)驗(yàn)測(cè)得計(jì)算化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失1.流體流動(dòng)討論：1、由小截面突然變成很大截面，圖右1所示，其212、由大截面突然變成很小截面，圖右2所示，其3、選擇外側(cè)面，右圖所示，其4、選擇內(nèi)側(cè)面，右圖所示，其在計(jì)算過(guò)程中，截面發(fā)生變化時(shí)，u則發(fā)生變化，在計(jì)算時(shí)，我們?nèi)∽畲蟮膗值（小管截面的平均速度u）進(jìn)行計(jì)算。化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失二、當(dāng)量長(zhǎng)度法

1.流體流動(dòng)le稱為管件或閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度，其單位為m，表示流體流過(guò)某一管件或閥門的局部阻力，相當(dāng)于流過(guò)一段與其具有相同直徑、長(zhǎng)度為le之直管阻力。各種管件閥門的le值可查有關(guān)資料。見(jiàn)和圖1-36管件和閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度的共線圖。（共線圖的用法）。怎么用呢？

下面來(lái)學(xué)習(xí)一下。化工原理課件1液體流動(dòng)局部阻力損失計(jì)算

100mm的閘閥1/2關(guān)

le=

22m100mm的標(biāo)準(zhǔn)三通le=

2.2m100mm的閘閥全開(kāi)le=

0.75m化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失

注：當(dāng)我們進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，長(zhǎng)距離輸送是以直管阻力損失為主；車間管路常以局部阻力為主。

三、管路總能量損失管路的總阻力損失的直管阻力損失與局部阻力損失之和。

1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失1、減少阻力損失的方法1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失2、阻力損失的計(jì)算例1-3如圖所示，將敞口高位槽中密度861kg/m3、粘度0.643

10-3Pa

s的溶液送入某一設(shè)備B中。設(shè)B中壓力為0.02MPa（表壓），輸送管道為

38

3無(wú)縫鋼管，其直管段部分總長(zhǎng)為8m，管路上有一個(gè)90

標(biāo)準(zhǔn)彎頭、180回彎頭一個(gè)，一個(gè)球心閥（全開(kāi)）。為使溶液能以3m3/h的流量流入設(shè)備中，問(wèn)高位槽應(yīng)高出設(shè)備多少米即z為多少米？1.流體流動(dòng)化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失解：在1-1和2-2截面列柏努利方程：1.流體流動(dòng)已知：p1=0(表壓)，u1=0,he=0,z1-z2=z,p2=0.02MPa(表壓),u2可求，下面求u2化工原理課件1液體流動(dòng)1.5.4局部阻力的損失1.流體流動(dòng)